Индуцированные мутации. Радиационная селекция. Химические мутагенные факторы

Под индуцированным мутационным процессом понимают возникновение наследственных изменений под влиянием сцепленного воздействия факторов внешней и внутренней среды. Первые исследования, относящиеся к изучению влияния различных факторов (мутагенов) на наследственную изменчивость появились в начале прошлого столетия. В настоящее время доказано влияние температуры, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, химических веществ и других реагентов на возникновение мутаций. Наибольший успех достигнут в изучении действия ионизирующих излучений.

В России Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в 1925г. впервые показано влияние лучей радия на наследственную изменчивость у грибов. Однако наиболее убедительное доказательство влияния рентгеновских лучей на наследственную изменчивость было получено Г. Меллером в 1927г. Было показано, что облучение увеличивает частоту возникновения мутаций в сотни раз по сравнению со спонтанной частотой. Позднее рядом исследователей было установлено влияние радиации на возникновение мутаций растений - кукурузы, табака, ячменя, пшеницы. Возник новый раздел генетики - радиационная генетика. Исследованию влияния ионизирующих агентов на мутационный процесс уделяется большое внимание. Это определяется тем значением, которое ионизирующие излучения приобрели в жизни человека в последние десятилетия. Под влиянием даже незначительной дозы ионизации резко возрастает частота мутаций. Подавляющее большинство мутаций порождает различные наследственные уродства и болезни. Накапливаясь в поколениях, они могут привести к тяжелым отрицательным последствиям. Вместе с тем ионизирующие излучения с большим успехом используются в селекции и медицине, они широко применяются для изучения мутационного процесса. При исследовании действия ионизирующих излучений на клетку было показано, что ядро примерно в 100 000 раз чувствительнее к радиации, чем цитоплазма. Поражаемость ядра клетки ионизирующими излучениями, так же как и другими агентами, может быть обусловлена высокой чувствительностью хромосом. ДНК хромосом является одним из самых чувствительных компонентов клетки. Меньшая чувствительность цитоплазмы может быть обусловлена наличием в ней множественных одноименных структур, заменяющих друг друга. После облучения в клетках наблюдается самые разнообразные обратимые и необратимые изменения: возникают клетки с гигантскими ядрами, многоядерные клетки, нарушается полярность при делении ядра, тормозится митотическая активность, происходит слипание хромосом или их фрагментация. Нарушение нормального хода митоза под влиянием облучения может приводить к возникновению полиплоидных, гаплоидных или анеуплоидных клеток. При облучении в большом количестве возникают летальные, полулетальные (понижающие жизнеспособность) и другие мутации, вызывающие гибель зигот. Такие мутации могут быть доминантными и рецессивными. На основании количественного учета мутаций была установлена зависимость частоты их возникновения от дозы облучения. Многочисленные опыты с дрозофилой, кукурузой, ячменем и другими объектами позволили сделать вывод, что частота генных мутаций возрастает прямо пропорционально дозе ионизирующего излучения. Считается, что любая малая доза ионизирующей радиации может приводить к повышению частоты мутаций, т.е. говорят о беспороговом генетическом эффекте ионизирующей радиации. Исследованиями установлено, что облучение в атмосфере чистого кислорода повышает частоту мутаций. Явление увеличения частоты мутаций при действии ионизирующей радиации в присутствии кислорода было названо «кислородным эффектом». В настоящее время доказано мутагенное действие ультрафиолетовых лучей для многих организмов. Они могут вызывать все виды мутаций

Изучение мутагенного эффекта химических агентов было начато давно. Первые экспериментальные работы, в которых был получен мутационный эффект под действием химических агентов, проведены в 1934г. В.В. Сахаровым и М.Е. Лобашовым. Лобашовым были предложены некоторые принципы выбора химических мутагенов, которые в дальнейшем получили подтверждение. Так, указывалось, что химическое вещество, используемое в качестве мутагена, должно обладать высокой проникающей способностью, свойством изменять коллоидное состояние хромосом и определенным действием на химический состав хромосом. И.А. Раппопортом в России и Ш. Ауэрбах в Англии были найдены мощные химические мутагены. К числу их относятся: формалины, иприт, уретан, этиленимин и др. Сравнение действия этих веществ с действием рентгеновских лучей показало, что нет никаких принципиальных различий в характере вызываемых ими изменений - все они вызывают как генные мутации, так и хромосомные перестройки. После того, как была изучена молекулярная структура хромосом, действие химических мутагенов стали рассматривать исходя из химических процессов, происходящих в молекуле ДНК. Некоторые ученые, все наиболее изученные химические мутагены разделяют на две крупные группы: 1) мутагены, действующие на нуклеиновые кислоты в процессе их репликации; 2) мутагены, действующие на нуклеиновые кислоты в фазе нереплицирующейся ДНК, т.е. «покоя», с последующей репликацией. В настоящее время делается попытка классификации химических мутагенов по их структуре и действию. К первой группе относят высокоактивные химические вещества, которые могут переносить алкильные группы на другие молекулы. Сюда входят наиболее активные химические мутагены (иприт, формальдегид, этилметансульфанат и др.), которые по своему мутагенному эффекту сходны с ионизирующими излучениями. Такие вещества иногда называют радиомиметическими. Ко второй группе относятся перекиси. Активными в них является свободные радикалы (ОН, Н, НО2). поэтому все факторы, способствующие образованию свободных радикалов, усиливают мутагенный эффект перекисей. К таким факторам относятся кислород, вода, УФ-лучи, видимый свет и т.д. Механизм действия третьей группы - метаболит-аналогов заключается в замещении ими нормальных метаболитов в ходе обменных процессов в клетке. К этой группе относятся, например, различные производные пуриновых и пиримидиновых оснований - бромурацил, аминопурин, производные фолиевой кислоты, аминоптерин и др. К последней, четвертой группе относятся вещества, принцип действия которых еще не ясен: это различные минеральные соли, алкалоиды, некоторые красители и др. При изучении действия химических веществ обнаружено еще одно интересное явление, общее с влиянием ионизирующих излучений и ультрафиолетовых лучей, а именно явление отсроченных мутаций. Оно заключается в том, что возникающие в момент воздействия химическим мутагеном мутации проявляются в зиготе не первого, а второго поколения в виде многочисленных гонадных мозаиков, половые клетки которых в отдельном участке гонады несут определенную мутацию. Явление отсроченных мутаций обнаружено у дрозофилы и кукурузы, однако до сих пор оно остается малоисследованным. Считается, что мутагенный эффект могут дать агенты, обладающие одним из следующих свойств: 1) подавлять синтез предшественников нуклеиновых кислот - пуринов или пиримидинов. 2) включаться в ДНК или РНК как аналоги оснований, замещая природные. Например: 5-бромурацил и 5-хлорурацил могут замещать тимин в ДНК бактерий. Изучение изолированного действия отдельных факторов внешней среды на наследственную изменчивость раскрывает лишь некоторые стороны их влияния на мутационный процесс. Исследования взаимодействия различных агентов создают возможность для более полного и всестороннего выяснения механизма возникновения мутаций. Таким образом, общей причиной наследственной изменчивости, которая в свою очередь служит источником эволюции, направляемой естественным или искусственным отбором, является любое нарушение равновесия организма с комплексом факторов внешней среды. Мутационная изменчивость обусловлена как воздействием факторов внешней среды на организм, так и его физиологическим состоянием. Частота возникновения мутаций и их тип зависят от:

1) Генотипа организма.

2) Фазы онтогенеза.

3) Пола.

4) Стадии гаметогенеза.

5) Митотического и мейотического циклов хромосом.

6) Химического строения отдельных участков хромосом и многих других факторов.